光伏离网系统与供水水泵电机匹配研究.pdf

可再生能源33NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION光伏离网系统与供水水泵电机匹配研究李民 王重洋 畅蓬博（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）摘要：在不同的自然资源环境条件下，结合供水需求，充分利用太阳能保障光伏供水系统在全年各时段的运行，在提高供水保障率的同时降低总体造价是系统是否成功的关键。结合光伏供水系统的实际应用，考虑全年不同时段太阳能情况，对太阳能发电单元及供水水泵电机进行优化配置，以实现高效节能利用的目的。关键词：光伏水泵；光伏离网系统；供水保障率中图分类号：TM914.4；TH3 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）08-0033-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.009Research on matching between photovoltaic off-grid system and water supply pump motorLI Min WANG Chong-yang CHANG Peng-boAbstract：Under different natural resource environmental conditions,combined with water supply demand,making full use of solar energy to ensure the operation of photovoltaic water supply system at various times of the year,it is the key to the success of the system to improve the water supply security rate while reducing the overall cost.Combined with the application of the actual photovoltaic water supply system,considering the solar energy situation at different times of the year,the solar power generation unit and the water supply pump motor are optimally configured to achieve the purpose of high-efficiency and energy-saving utilization.Key words:photovoltaic water pump;photovoltaic off-grid system;water supply guarantee rate1研究概况应用实施地位于渭北黄土高原，月供水量1 000 m3，水泵总扬程为水池最低运行水位、地形高差、服务水头、沿程水头损失及局部水头损失之和，考虑选型误差及管路具体长度，水泵额定扬程拟定190 m，平均日供水时长为6 h。当地无实测气象数据，太阳能资源采用卫星数据进行分析。初步分析对比NASA、Solargis及Meteonorm数据库辐射数据在当地的适用性，采用Meteonorm数据库数据进行资源分析，代表年数据采用多年平均法，水平面总辐射量为1 277 kWh/(m2 a)。为了便于研究供水系统、发电系统及水泵功率的匹配，采用太阳能供电，不设置电化学储能系统，月供水水量一致，供需水的水量由上下储蓄水系统调节。光伏电池组件采用固定式安装，光伏阵列方位角为0。水泵参数参考6SP型光伏水泵。2常规系统配置根据牧区草地灌溉与排水技术规范的要求，系统日工作时长宜取69 h，供水系统峰值流量为6 m3/h。根据规范附录B.2中的参数计算办法，最大峰值水功率、水泵峰值功率及光伏阵列容量分别为3 103 W、5 796 W、8 279 W，可以选取7.5 kW的水泵1。但是根据水泵的出力曲线，至少需要选取11 kW光伏水泵，光伏阵列容量为15.71 kW，取16 kW。依据典型日的日照曲线进行模拟仿真计算，优化后的阵列倾角为30。光伏组件装机功率为10 kWp时，30 倾角下7月和11月典型日系统功率曲线如图1所示。（a）7月典型日作者简介：李民（1968），男，本科，高级工程师，研究方向为新能源。基金项目：陕西省水利科技计划项目（项目编号：2019slkj-05）收稿日期：2022-11-12引用本文：李民，王重洋，畅蓬博.光伏离网系统与供水水泵电机匹配研究 J.节能，2023，42（8）：33-36.可再生能源34节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023经测算，阵列倾角为30 时，系统7月的实际有效利用时间为59.5 h，11月为13 h，全年供水保障率约为25%。3系统优化配置3.1研究方法根据供水需求对太阳能辐射量数据进行整理分析，得出不同时段典型代表辐照度曲线。建立光伏水泵系统模型，分析不同组件倾角下辐射量典型代表时段光伏抽水系统出力功率曲线，同时考虑阴雨天等情况对系统进行优化。利用其他任意时段典型代表功率曲线，同时比较不同系统配置下供水成本，对优化结果进行复核。3.2数据分析3.2.1确定典型代表日根据供水需求情况，整理分析20年的长期逐时辐射量数据。各月典型代表日的水平面辐照度如表1所示。典型代表日辐照度曲线如图2所示。表1各月典型代表日的水平面辐照度日期1月26日2月12日3月28日4月12日5月8日6月10日7月13日8月17日9月19日10月4日11月25日12月26日水平面辐照度/(W/m2)7：0001.10.6168.8231.8305.2302.0188.0155.8100.61.808：0080.5116.9287.8361.9430.7512.9524.6379.2375.8284.9118.368.79：00250.8291.0484.3536.8620.3703.4729.0571.0585.1473.3276.5219.310：00414.0458.1655.3703.3786.6854.6891.1729.1752.8618.9420.4378.011：00538.1598.8785.1784.3894.0951.6998.5846.5859.4728.7504.1477.612：00606.2665.3848.4842.7939.6999.81 045.0908.6904.3765.5545.2518.313：00601.0667.1842.6829.5917.9985.71 029.2910.5879.4718.4528.1510.414：00531.3601.8770.4747.9837.6918.6955.0841.6788.8630.6435.7431.515：00400.5456.4645.8605.1702.6792.3823.7711.6640.2492.5306.1303.416：00240.4281.5461.3448.3524.7619.6644.1539.0441.0305.8148.6145.517：0072.3108.7250.2257.0324.9417.3436.1337.1219.9125.14.45.418：0000.730.3257.0139.8211.1220.5142.510.91.500总辐射量/(kWh/m2)3.7354.2476.0626.5437.3518.2728.5997.1056.6135.2463.2893.058（c）9月典型日（d）11月典型日图2典型代表日辐照度曲线（a）3月典型日（b）7月典型日（b）11月典型日图130 倾角下7月和11月典型日系统功率曲线可再生能源35NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION结合当地用水需求情况，选取3月11月为全年光伏抽水系统运行时间，全年辐射量最大月份为7月，辐射量最小月份为11月。3.2.2最佳倾角按照光伏方阵倾斜面受到的全年辐照量最大为标准，最佳倾角按照 光伏发电站设计规范（GB 507972012）要求选取。采用所选工程代表年的太阳辐射资料，不同倾角斜面的平均太阳辐射量如表2所示2。根据倾斜面上太阳辐射的变化趋势可知，光伏组件方位角为0，倾角为25 时，组件倾斜面上的年总辐射量达到最大。假定月供水需求一致，离网光伏抽水系统要求每月光伏发电单元出力尽量相近3。在最佳倾角的情况下，各月的光伏系统出力有明显差距，11月的数值远小于7月。抽水系统可能出现夏季供水过量、冬季供水不足的情况。须根据用水需求结合光资源情况选择光伏阵列最优匹配倾角。3.3发电侧优化建立10 kWp光伏组件系统模型，模拟不同倾角下系统的逐时功率曲线，45 倾角下典型代表的日功率曲线如图3所示。45 倾角时，相同功率下7月与11月典型代表日对应的光伏水泵系统出力时间接近。考虑阴雨等天气对运行时长的影响，需进一步增加11月的系统利用时数。模拟后确定当系统功率为6 000 W且阵列倾角为55 时，11月整月的系统可利用时长达41 h左右。在此条件下，7月可利用时长与11月基本相同。7月和11月时，55 倾角典型代表日功率曲线如图4所示。将11月光伏系统功率运行情况进行分类，分为3种典型工况，11月典型运行工况功率曲线如图5所示。随机选取9月典型代表日，对55 倾角系统运行时长进行复核，55 倾角9月典型代表日功率曲线如图6所示。（a）30%出现率（b）20%出现率（a）7月典型代表日（b）11月典型代表日图345 倾角下典型代表的日功率曲线表2不同倾角斜面的平均太阳辐射量/（MJ/m2）倾角/()22232425262728太阳辐射量4 798.54 801.34 803.04 803.84 803.54 802.34 800.2（a）7月典型代表日（b）11月典型代表日图455 倾角典型代表日功率曲线可再生能源36节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023系统功率为6 000 W/m2时，9月整月系统的可利用时长同样保持在41 h以上，55 倾角满足使用要求。3.4水泵匹配优化对比全年各月典型日功率曲线及出现率曲线，采用11月作为光伏抽水系统的控制条件。光伏发电侧安装10 kWp光伏组件，倾角为55，系统功率达到6 000 W以上时，11月整月可利用时长保持在41 h左右，可做功246 kWh；系统功率在5 500 W以上时，11月整月可利用时长保持在51.5 h左右，可出力283.25 kWh；系统功率在5 000 W以上时，11月整月可利用时长保持在59.0 h左右，可出力295 kWh；系统功率在4 000 W以上时，11月整月可利用时长保持在82.5 h左右，可出力330 kWh；系统功率在3 000 W以上时，11月整月可利用时长保持在107.5 h左右，可出力322.5 kWh。系统功率为6 000 W时，供水流量为24.39 m3/h，选择26 kW水泵，光伏发电单元装机43.3 kWp。系统功率为5 500 W时，供水流量为19.42 m3/h，可选择18.5 kW水泵，光伏发电单元装机33.6 kWp。系统功率为5 000 W时，供水流量为16.95 m3/h，可选择15 kW水泵，光伏发电单元装机30 kWp。系统功率为4 000 W时，供水流量为 12.12 m3/h，可选择 13 kW 水泵，光伏发电单元装机32.5 kWp。系统功率为3 000 W时，供水流量为9.30 m3/h，可选择11 kW水泵，光伏发电单元装机36.7 kWp。以上装机未考虑组件衰减及容量匹配系数。优选系统配置15 kW光伏水泵，30 kWp光伏发电单元。系统供水保障率可以达到95%。如选择配置15 kW的水泵，减少发电单元装机容量至25 kW，系统对应10 kWp光伏组件系统功率为6 000 W，供水保障率为30 kWp的69.5%。选择配置11 kW水泵，装机容量减少至27 kW，供水保障率为36.7 kWp的76.7%。采用15 kW水泵，装机30 kWp，光伏发电单元投资3.3元/W，泵费用按照两万元考虑，投资共11.9万；采用13 kW水泵，装机30 kWp，如光伏发电单元装机25 kW，共需资金10.25万，成本是装机30 kWp的0.86%。只考虑光伏抽水系统发电单元及光伏水泵成本的情况下，由于装机25 kWp的供水保障率较低，实际供水成本比装机30 kWp高约24%；常规系统配置下的资金需求约为7万，比优化的15 kW水泵加30 kWp发电单元系统单位供水成本高约2.35倍。4结语合理优化配置光伏供水系统是光伏离网系统能够被广泛应用的关键。综合考虑多方面因素，建立切合实际的供水模型，同时进行充分的论证比较其经济合理性，降低单位供水成本及总投资，提高供水保障率，是高效利用太阳能资源及水资源的前提。参考文献1 SL 3342016，牧区草地灌溉与排水技术规范 S.2 GB 507972012，光伏发电站设计规范 S.3 王世锋，李亮.太阳能提水泵站优化设计 J.电力与能源，2014，35（1）：96-98.（c）15%出现率图511月典型运行工况功率曲线图655 倾角9月典型代表日功率曲线